（电工理论与新技术专业论文）无线传感器网络可靠通信及其测试床系统研究.pdf

a b s t r a c t t h ew i r e l e s ss e l f - o r g a n i z e ds e n s o rn e t w o r k ，w h i c hsi n t e g r a t i o no fs e n s o r t e c h n i q u e s ，m e m st e c h n i q u e s a n dn e t w o r kc o m m u n i c a to nt e c h n i q u e s ，i sa n i n n o v a t i v et e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n p r o c e s s i n g i ti sa na d v a n c i n g r e s e a r c hf i e l do fm u l t i s u b j e c ti n t e r s e c t i o n i tb r i n g sw i d ea p p l i c a t i o nf u t u r ei nag o o d m a n yf i e l d s ，s u c h a s m i l i t a r y , i n d u s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n t ，t r a n s p o r t a t i o na n d c o m m e r c i a l af e wa c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c q u i r e di nt h ew o r l do fl a t ey e a r s ，b u t o ns o m ek e yt e c h n i q u e s ，t h e r ea r ea l s oal o to fp r o b l e m si nn e e do fr e s o l u t i o n t h e d o m e s t i cr e s e a r c hs t i l lr e m a i n so nb e g i n n i n gp h a s et h i sp a p e rl u c u b r a t e ds e v e r a lk e y t e c h n i q u e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft e s t b e ds i m u l a t i o na l g o r i t h m sa n d s o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n di n f l u e n c e df a c t o r so fw i r e l e s sl i n k c h a l l e n g eo fr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ef a c t o rw em u s tc o n s i d e rw h e nd e s i g n i n g r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s a n d d i s c u s st h efa t u r e so fs o m er e l i a b l e c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m s a n d d e e p l ya n a l y s e s o m erp r e s e n t a t i v er e l i a b l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s b e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t yo fw i r e l e s sl i n k ，i no re rt oi m p l e m e n tr e l i a b l e c o m m u n i c a t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n sas i m p l ea n de f f ii e n tl i n kq u a l i t ye v a l u a t i o n m e c h a n i s mb a s e do nw e i g h t e dg l i d ew i n d o ws t r a t e g y , e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n d s i m u l a t i o nm o d e li nd e t a i l ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c eo nt h ee v a l u a t i o nm e c h a n i s mb y a d j u s t i n gw e i g h t ，w i n d o ws i z e ，r a t e t h ee v a l u a t i o nm c h a n i s md o n tn e e dc o m p l e x o p e r a t i o na n de x t r ac o m m u n i c a t i o nc o n s u m e t e s t b e ds y s t e mi sd e s i g n e dt ot e s tt h ea l g o r i t h m so fa l n e t w o r kl a y e r ，s ot h i sp a p e r d e s i g n sae n e r g y - e f f i c i e n tc l u s t e r i n ga l g o r i t h mb ae d o nm a x i m u mw e i g h ta n d m i n i m u md o m i n a t i n gs e t ，d e s c r i b e st h ec l u s t e r i n gp r o c e s si nd e t a i l ，p r o v e si nt h e o r y t h a tc l u s t e rh e a d sc a nc o n s t i t u t em i n i m u md o m i n a t i n gs e t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s p r o v et h ee f f e c t i v i t yo ft h ea l g o r i t h m t h es o f t w a r es y s t e mo ft h eu p p e rm a c h i n ei n t r o d u c ei nt h i sp a p e ri st h eh a r d c o r eo ft h et e s t b e ds y s t e m ，m a i n l yi n c l u d i n gt h eds i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h r e e m o d u l e s t o p o l o g yc o n t r o lm o d u l ei m p l e m e n t st h es e t i n ga n da l t e r i n go fo r i g i n a l t o p o l o g ya n dn o d ei n f o r m a t i o n r e a l t i m ew a t c h i n gm o d u l ei m p l e m e n t si m p l e m e n t s t h e f r i e n d l yi n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e r sa n dt h es y s t e mi nt i m e ，a n dd i s p l a y st h e i n f o r m a t i o no ft h en e t w o r kt o p o l o g ya n dt h er u n n i ns t a t eo ft h en e t w o r ki nr e a lt i m e h i s t o r ys t a t i s t i cm o d u l er e c o r d sn e t w o r k i n gt i m e ，se n d e de n e r g y , c l u s t e rh e a d s n u m b e r s ，n o d ee n e r g ya t t e n u a t i o n ，e t e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ，ts t b e d ， m i n i m u md o m i n a t i n gs e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：同甄签字日期：易优圹年2 月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储签名：j 7 虱吏 辩醐：岬年五月功日 新签名：刃，雨纠 签字吼叨年三月铂 第一章绪论 1 引言 第一章绪论 近年来在微电子机械系统( m e m s 、无线通讯、数字电子方面取得的巨大成 就使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。这 些小的传感器节点包含传感元件、数据处理和通讯模块。传感器节点通过无线 a dh o 自组方式便构成了一个全新的无线网络无线传感器网络。无线传感器网 络在军事、医学、工业等多个领域都有着广泛的应用前景，引起了人们的广泛关 注。目前，在这一领域中，欧美等发达国家投入了大量的人力、财力从事研究， 形成了一个新兴的学科方向。由于无线传感器网络的特殊性，它面临许多特有的 问题。这些问题涵盖了网络组织、协议设计、网络运行维护等方方面面。针对无 线传感器网络的理论与应用已经开展了大量的研究，但作为一个全新的研究领 域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课 题。 1 无线传感器网络的特点与应用 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络除了具有a dh o 网络的移动性、断接性、电源能力局限等共 同特征以外，还具有很多自身独有的特点【3 3 。3 6 】： 1 通信能力差，资源有限：传感器网络通信带宽窄而且经常变化，通信 覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。 节点通常携带能量十分有限的电池，网络具有十分有限的功率资源。 2 计算和存储能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低 功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储容量比较小。 3 网络规模庞大：为了获取精确信息，在监测i ) 物理层：负责数据的调制、接收与发送。在这层主要研究的问题是无线 频段的选择、调制技术与扩频技术等。能耗与成本是物理层协议设计重点考虑的 关键问题。 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问以及差错控制等。目前 研究的重点是介质访问控匍j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ，m a c 协议1 5 0 4 2 1 的主 要功能是在相互竞争的用户之间分配信道资源。m a c 协议设计的好坏直接影响 6 第一章绪论 到网络的吞吐量及系统运行效率，因而也是无线无线传感器网络的重点研究问 题。 网络层：网络层路由协议负责通信的两点间建立并维护数据的传输路 径，传统无线网络的路由协议设计是以避免网络拥塞、保持网络的连通性和提供 高质量服务为目标。而无线传感器网络资源严格受限要求其路由协议尽量简单， 路由的建立需要尽量少的通信量以便能够在网络整体上达到节能，延长网络的生 存期。 传输层：传输层协议【2 由3 0 1 的主要功能是负责数据流的传输控制，在网络 层的基础上为应用层提供一个可靠、高质量的数据传输服务，目前对这一层的研 究甚少。 管理与基础服务 管理与基础服务层使用通信与组网部分提供的服务，并向应用系统提供服务 支持。该层对上层用户屏蔽了底层网络的细节，使用户可以方便的对无线传感器 网络进行操作。 系统管理：由于无线传感器网络系统长期在无人值守的条件下工作，因 而需要对各项网络性能指标进行实时监控，对节点功能失效、能量耗尽等不正常 情况进行早期预警。 时间同步：在无线传感器网络中，单个节点的能力有限，整个系统所要 实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。而时间同步5 4 】是节点合作 的基础。目前大致可分始终同步、瞬时同步、事后同步三种类型，如何利用有限 的网络资源得到满足要求的同步信号是一个重要的研究问题。 节点定位：在无线传感器网络中，节点经常是随机布洒，节点数据庞大， 让每个节点自带定位系统成本太大，那么如何依靠有限己知位置节点来确定其他 节点的位置是无线传感器网络节点定位陋5 6 】的核心研究问题。 应用系统 应用服务层负责为用户提供通用的网络服务和面向各个不同领域的增强服 务。目前的研究热点是对大量传感器信息的分布式处理策吲5 7 螂】。 7 第一章绪论 本文的选题意义与研究内容 1 5 本文的选题意义 无线传感器网络是多学科交叉的前沿研究课题，其潜在的巨大应用前景，引 起了军事部门、工业界和学术界的广泛关注。美国技术周刊将无线传感器网 络列为影响今后人类社会生活的十大技术之一。在相关理论上也呈现出百家争 鸣、百花齐放的局面。但是在一些关键技术上，仍然有很多的问题需要解决。在 我国，这方面的研究还处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远，因此对无线传 感器网络的理论和应用研究有着十分重要的意义。 针对无线传感器网络通信协议的研究大都集中在节能上，而基于无线传感器 网络的某些应用中，需要可靠的数据传输，例如结构监测、传感器节点的任务重 分配、事件发现、目标跟踪等。目前在这方面的研究很少，由于其独有的特点， 传统网络上的可靠机制并不能照搬到无线传感器网络上来，因而无线传感器网络 可靠通信的研究将必是一个重要的热点问题。 无线传感器网络的通信介质属于无线介质，存在着一系列不稳定的因素，而 目前大部分为其设计的通信协议都处于理论阶段，难以通过实践验证其有效性。 因而开发出一个环境可控的测试床系统，可以方便对算法进行模拟仿真与分析。 加快整个研究的进度。可见测试床系统的设计和开发对无线传感器网络的研究具 有巨大的实用价值。 1 5 本文的主要研究内容和创新点 本文的研究内容主要包括以下几个部分： 第二章首先分析了无线传感器网络可靠通信的挑战与困难，指出了在为无线 传感器网络设计可靠通信机制时需综合考虑的因素。随后详细描述了目前可采取 的一些可靠通信机制：重传、数据冗余转发、多路径转发等。最后列举了目前已 有的具有典型意义的可靠传输协议，并对其进行了深入叙述与分析。 第三章首先借助已有的实验仿真分析了环境、距离、障碍物等因素对无线信 道的影响，以其获得无线链路的基本特征。在此基础卜详细分析了链路级的重传 机制，简要介绍了其他的链路级口，靠机制：前向纠错码( f e c ) 、提高发射功率等， 8 第一章绪论 并指出：由于单独每个链路级可靠机制有其优缺点，从网络节能出发，应将其有 机结合。为实现数据的可靠传输，并有效利用网络的有限资源，每个节点有必要 了解与其周围邻节点的链路质量。最后本章提出了一种简单有效的动态链路质量 预测机制，该机制采用了加权移动窗口策略，综合考虑了预测的灵敏性与稳定性。 随后进行了相应的仿真实验，并从灵敏度、稳定度、偏差度三个角度对其进行了 分析。 第四章针对于测试床系统需测试的算法，首先提出了一种能量有效的分簇组 网算法，该算法依据图论极大权极小支配集的概念，选取能量高、分散均匀的节 点充当簇头，并进行了仿真实验与分析，验证了算法的能量有效性。随后简要介 绍了测试床系统的结构与工作原理，最后重点描述了测试床上位机软件系统的设 计。 第五章对本文进行总结，并提出了下一步工作的展望。 本文的创新点有： 1 针对无线链路复杂多变的特点，利用加权移动窗口策略，提出了一种简 单有效的动态链路质量预测机制，并进行了实验仿真与分析。为上层可靠通信协 议的设计奠定了基础。 2 为验证测试床系统的有效性，基于图论极大权极小支配集的概念，提出 了一种能量有效的分簇组网算法，并进行了算法仿真与分析。 3 实现了测试床上位机软件系统，包括通信操作、协议处理、实时监视、 统计分析等模块，为更人性化的与用户交互，系统采用了图形、曲线、表格、文 字等多种形式呈现网络运行状态。 9 第二章无线传感器网络可靠通信综述 己i 言 - -j1 日 第二章无线传感器网络可靠通信综述 传统i 网络为实现数据的可靠传输采用的是端到端的边缘论思想，依靠智 能化终端执行复杂算法来保证可靠性，尽量简化网络核心的操作以降低其负担， 以此提高网络整体性能。t c 就是基于该思想而提出的传输协议，其目的是在不 可靠的i 层上为应用层提供面向连接的、可靠的数据传输服务。 标准的t c 协议在有线网络上能够很好的工作，它假设所有的丢包都是网络 拥塞造成的，每次检测到丢包，都会启动相应的拥塞控制机制，减少发送窗口以 降低发送速率。当应用到无线网络中时势必造成传输性能的急剧下降，由于无线 网络造成丢包主要原因是无线链路的高误码率。因而为实现无线传感器网络可靠 通信，我们需要设计新的通信协议。 2 可靠通信的挑战 无线传感器网络可靠通信是一个受多方面因素综合影响的问题，要想实现其 数据的可靠传输，将面临诸多挑战【7 】： 1 无线通信问题：传感器节点普遍采用低功率r f 方式发送数据，无线链路 具有极大的不可靠性，同时可能存在非对称链路，另外，障碍物、信号干扰、信 号衰减、隐终端及暴露终端等因素会导致信道质量的急剧恶化。 2 资源有限问题：传感器节点多采用电池供电，具有有限的功率资源，同时 计算能力、存储空间、无线通信链路带宽等都十分有限。因而在传感器节点上通 过运行复杂的或内存开销大的算法来提高可靠性将不太现实，同时由于节点能量 有限，为增强可靠性而附加的通信开销应尽量小以最大化网络生存期。 3 路由层问题：由于目前已应用于无线传感器网络中的路由协议大部分都是 从具体应用出发的，例如对于数据采集应用，传输模式是多对一的，所有传感器 节点将采集数据传输给槽节点，因而每个节点只需知道到达槽节点的父节点信 息，这类路由可叫做汇聚路由( c o n v e r g e n c er o u t i n g ) ；再如传感器节点的任务 重分配，传输模式是一对多的，类似于多播，在这种情况下，无线链路的广播特 l o 第二章无线传感器网络可靠通信综述 性将会带来极大的好处，发送单一数据所有邻居均能接收到，相比逐一发送数据 给每个节点，这种方式会带来很大的能量节省，这类路由可叫做分散路由 ( d i v e r g e n c er o u t i n g ) 。可见各类协议思想千差万别，因而难以设计一个统一、 通用的传输层来保障数据的可靠传输。 2 影响可靠通信协议设计的因素 无线传感器网络是基于具体应用而提出的，很难为其设计一种普遍适用的网 络协议。针对数据的可靠传输问题，可靠通信机制的设计需充分考虑以下几点因 素【2 1 1 ： 所需可靠传递的数据类型：按应用不同，可将数据类型归结为三类： 单一数据包( s i n g l ep a c k e t ) 、多数据包( b l o c ko fp a c k e t s ) 、数据流( s t r e a mo f p a c k e t s ) 。单一数据包可靠传递一个典型的情况就是多数据源采集数据的融合 包；某些应用中，我们经常需要对传感器节点进行任务重分配，这里新任务的分 配可归结为多数据包的可靠传递；数据流最常见的情况就是传感器节点周期性的 采集数据报告。 2 完全可靠或部分可靠传输：有些应用需要数据的完全可靠传输，例如： 森林防火监测中高于一定阈值的温度数据，从槽节点到传感器节点的更新代码或 新查询的分发，实时目标跟踪。而有些应用能够容忍数据部分的丢失，例如当许 多传感器节点采集的数据具有极大的相关性时，一定程度的丢失对数据的完整性 没有太大影响，在这种情况下一般采用分组成功传输率作为可靠参数。 3 数据的传递方向：针对不同的应用，大致可分为三类：传感器节点到槽 节点、槽节点到传感器节点、传感器节点到传感器节点。大都数情况下是所有传 感器节点采集数据通过多跳的形式发送给槽节点，而新查询的分发则是槽节点到 传感器节点的传递模式，当节点之间为协同完成任务而需要彼此交互信息时，则 会出现第三种情况。 2 相关可靠通信机制 为提高无线传感器网络数据传输的可靠性，一般可采取重传、数据冗余转发 及多路径转发机制。 第二章无线传感器网络可靠通信综述 2 4 重传机制 关于重传机制的设计，我们首先需要明确包丢失的探测者、重传的请求者以 及重传的执行者。对于单数据包，只能采取数据发送节点的超时重传与接收节点 的主动确认a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t 相结合的机制，而对于多数据包和数据流则 可采取更灵活的机制，例如让接收节点通过发现包序列号的空洞来侦测数据包的 丢失，并通过发送否定确认n a c k ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t 来请求重传，另外 n a c k 还可作为已接收数据的隐含确认( i m p l i c i ta c k n o w l e d g e m e n t ，这样能有效 节省网络的能耗。对于单数据包的主动确认机制，根据重传在网络分层中的应用 位置，我们可归纳两种常见的策略： 链路层重传：也就是要求在数据传递的每一跳接收节点回复确认给上一 跳发送节点，这种情况下定时器容易设置，因为仅需考虑单跳传播时延与节点数 据处理时延。发送节点一般设置一个重发次数阈值，当超过阈值还没发送成功发 送节点将直接丢弃发送数据。对于数据包较小情况，而信道质量较高时，逐跳确 认会带来较大的通信开销与时延，另外中继节点需要缓存数据包。 端到端重传：源节点需要缓存发送数据，直到收到槽节点的确认。同样 这种机制下，源接点的重传次数也设定一个上限。由于数据传递跳数、单跳传播 时延以及可能存在的链路层重传等信息难以预测，发送节点定时器的设置将较为 困难。 文献 2 1 通过仿真实验指出信道质量较高时，单纯端到端重传机制有最小的 通信开销，然而当信道质量低于一定值时，单纯端到端重传会带来极大的通信开 销。可见，为使网络能耗最优，在实际中应进行动态的选择与调整。 2 4 数据冗余转发机制 图一显示了数据冗余转发机制，数据传递路径上每一个节点根据局部的 信道状况及可靠性要求相应发送同一个数据包的多份拷贝，以此增强数据传递的 可靠性。 1 2 第二章无线传感器网络可靠通信综述 ooo 源节点 ooo 图2 一l 数据冗余转发 目的节点 文献 2 2 所提出的逐跳可靠性( h h r ，h o p - b y - h o pr e l i a b i l i t y 方法中，发送节点 根据局部的信道质量以及数据的期望可靠性发送相应的多份拷贝给下一跳节点。 通过在h h r 机制中增加每跳数据的主动确认，将会得到一种变体机制 h h r a ( h o p b y - h o pr e l i a b i l i t ya c k n o w l e d g e m e n t ，通过仿真比较，当信道误码率 丢于一定阈值时h h r 有更好的表现，而超过阈值时，h h r a 则会优于h h r 。数 据冗余转发在文献 2 3 ，2 4 中也得到了应用。然而当信道质量极低时，数据冗余转 发会造成极大的网络能耗。 2 4 多路径转发机制 传感器网络中，引入多路径转发不仅能够提高数据传输的可靠性，还能实 现网络负载平衡。图一显示了多路径转发机制，在多径路由中，如何建立 ，o o o 、 0 0 0 o o 一 黼矿、o o o ，伯肺点 数据源节点到槽节点的多条路径足首要问题，文献【2 5 中提出了不相交多路径 ( d i s j o i n tm u l t i p a t h 和缠绕多路径( b r a i dm u l t i p a t h 两种算法。不相交多路径是指从 源节点到日的节点之间的任意两条路径都没有相交的节点。建立过程如图 一 所示：槽节点首先通过主路径增强消息建立主路径：然后发送次优路径增强消息 给次优节点a ，节点a 再选择自己的最优节点b ，把次优路径增强消息传递下 去。如果b 在主路径上，则b 发【订j 否定增强消息给a ，a 向次优节点传递次优 第二章无线传感器网络可靠通信综述 槽 槽 ( b ) 次优路径一否定增强 ( a ) 主路径p 点 槽 占 飞) 、婴优路径l = 叼1 ( c ) 次优路径p 1 点 增强消息；如果b 不在主路径上，则b 继续传递次优路径增强消息，直到构造 一条次优路径。按照同样方式可继续构造下一条次优路径。 在不相交多路径中，备用路径可能比主路径长得多，为此引入了缠绕多路径 的概念。缠绕多路径可以克服主路径上单个节点失败的问题。理想的缠绕多路径 是由一组缠绕路径形成。一条缠绕路径对应于主路径上的一个节点，在网络不包 括该节点时，形成的从源节点到目的节点的优化备用路径。缠绕路径作为主路径 的一条备用路径。主路径上每个节点都有一个对应的缠绕路径。这些缠绕路径构 成了从源节点到目的节点的缠绕多路径。显然这样得到的备用路径于主路径相 交，如图一所示。 ，们：刊3 、 黯一瓣露毫一鬲黧 1 4 第二章无线传感器网络可靠通信综述 ，旬：o 、 鼎一瓣弓卜n ( k 襞秽_ d n ( k - 3 ) 黧 槽节点 刀( n 1 )刀( d l f 、一、! ( 绍) ， 源节点 ( b ) 局部缠绕多路径 图2 4 缠绕多路径 理想的缠绕多路径中，节点需要知道全局网络拓扑。一种局部缠绕多路径生 成算法如下：在建立主路径后，主路径上的每一个节点除了源端和靠近源端的 节点都要发送备用路径增强消息给自己的次优节点记为a ，次优节点a 再寻 找其最优节点记为b 传播该备用路径增强消息。如果节点b 不在主路径上，将 继续向自己的最优节点传播，直到与主路径相交形成一条新的备用路径。 2 相关可靠传输协议 由于在通信可靠性方面的弱点和其独特的计算模式，无线传感器网络传输层 的设计面临极大的困难与挑战，到目前为止对无线传感器网络传输层的研究还不 是很多。下面我们将介绍几个有重要意义及典型性的传输层协议。 2 3 p s f q 传输协议 p s f q 2 8 ( p u m ps l o w l yf e t c hq u i c k l y 协议是针对于槽节点需要向一群传感器 节点可靠传输大量数据应用而提出的，例如任务在无线传感器网络内的重新发布 ( r e t a s k i n g ，节点代码更新( c o d eu p d a t e s 等，它确保数据完伞可靠的传递。 p s f q 协议对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。在传统的端到端错 误恢复机制中，只有最后的目的节点负责发现数据丢失并请求重传，这种机制的 优劣于传输介质的物理特性有密切关系。为了节省能晕消耗，数据的传递一般采 用短距离多跳形式，数据的传输错误率随着多跳而呈现指数级增加。由于无线传 感器网络经常运行在条件及其恶劣的环境中，随着无线信道质量的下降，端到端 错误恢复机制的性能下降很快。仿真表明，信道误码率从1 上升到5 0 ，发送 成功率则从9 0 下降到接近于0 。为此，p s f q 提出了逐夥l ( h o p b y - h o p 的错误 第二章无线传感器网络可靠通信综述 恢复机制。这种机制要求中间节点参与数据传输中的错误检测于恢复，使数据在 每一跳传输时都进行错误检查，避免由错误累积导致的通信质量下降。由于逐跳 的错误恢复机制能够有效的将多跳传递过程分割为一系列能够减少错误累积的 单跳传输过程，因此p s f q 具有很好的容错性何可扩展性。 为了保证丢失的报文有足够的重发时间，p s f q 采用了一种快取慢存( p u m p s l o w l y , f e t c hq u i c k l y 的数据流控制机制。该机制的关键思想是节点以相对低的速 率发送数据，并允许数据丢失的节点积极地从相邻节点获取任何丢失的部分。通 过在数据通路中的每个中间节点都保持正确的数据包转发次序，来减少错序报文 的盲目转发。快取慢存机制可以有效平衡中间节点的报文缓存数量，为无线传感 器嗍络提供了低开销的错误恢复服务。 协议主要由以下三个操作构成：信息传递操作( p u m po p e r a t i o n 、丢失恢复操 作( f e t c ho p e r a t i o n 及状态报告操作( r e p o r to p e r a t i o n 。通过信息传递操作，槽节点 通过广播的形式每隔t m i 。顺序发送组成整个文件的每一个数据分片，数据分片头 有四个字段：文件i d 、文件长度、分片序列号及分片生存周期。为了保证丢失 数据的本地恢复以及分片的按序传递，中间节点必须维护一个数据缓存区，当每 个中间节点接收到分片后，将视具体情况进行如下操作： 当节点a 接收到一个新的分片时通过分片序号区分，则将该分片存储 在缓存中；如果是以前已接收过的分片，则简单的将其丢弃。 当接收的新分片序号连续，节点a 等待一个随机时间然后转发该分片。 然而当节点a 发现它的四个或更多邻居转发了该分片时，考虑到节点a 再次转 发增加的覆盖范围很小，因此节点a 将停止转发该分片。 当接收的新分片序号不连续，节点a 将不会马上转发该分片，而是立即 启动丢失恢复操作。利用n a c k 包启动丢失恢复过程。n a c k 是丢失分片的节 点请求邻居节点重传分片的控制包。n a c k 包头至少包含三个字段：文件l d 、 文件长度、丢失窗口。丢失窗口代表丢失序号的左右边界。当某个节点缓存内的 分片出现多个序号空隙，则每个空隙对应一个丢失窗口并将其附加在n a c k 包 头的第三个字段上，例如，节点接收到的序号是( 3 ，5 ，6 ，9 ，l l ，其中序号有个空 隙，相应的对应个丢失窗l - - q ( 4 ，4 ，( 7 , 8 ，( 1 0 ，1 0 。一旦节点接收到丢失分片， 它将开始按序转发。 1 6 一一茹 第二章无线传感器网络可靠通信综述 2 3 g a r u d a 传输协议 g a r u d a l 2 6 ( am y t h o l o g i c a lb i r dt h a tr e l i a b l yt r a n s p o r t e dg o d 所针对的问题 与p s f q 类似，都是为实现槽节点可靠传输大量数据给所有或部分传感器节点， g a r u d a 同样使用了n a c k 机制，但是相比p s f q ，g a r u d a 为可靠传输第一 个分片而设计了一种非常新颖的机制，具体机制的实现在 2 6 的4 节有详细的 描述，这样就解决了采用n a c k 机制的一个重大缺陷：接收节点至少要收到大 量数据的一个分片才能通过序号空隙发现分片的丢失。 g a r u d a 的基本思想是首先动态的将网络拓扑构建成多个极小连通支配集 ( m d s ，称之为核心结构( c o r ec o n s t r u c t i o n 的构建。如图一所示，每个m d s 内的成员节点分为核心成员( c o r em e m b e r 与非核心成员，核心成员作为非核心成 员及下游核心成员的丢失恢复服务( r e c o v e r ys e r v e r 点。然后采用一种两阶段的丢 失恢复策略来恢复丢失的数据。 图2 7 核心结构 g a r u d a 规定只有距离槽节点的跳数是的倍数的节点才能成为候选核心 成员节点，当某个候选核心成员节点周围有足够的邻居也是候选点时，则该节点 放弃成为核心成员节点。另外，当某个非核心成员节点周围邻居中没有核心成员 节点时，则它自己可以请求成为核心成员节点。所有的核心成员节点必须至少知 道，。个上游核心节点，以方便他们请求重传。详细核心结构构建算法见 2 6 中4 节。 g a r u d a 采用了两阶段的丢失恢复机制，第一阶段的恢复在核心成员节点 间，核心成员节点恢复完毕，第二阶段由非核心成员向相邻的核心成员请求恢复。 相比p s f q ，g a r u d a 允许分片的失序转发，极大的减少了分片传播时延，并 1 8 第二章无线传感器网络可靠通信综述 充分利用了网络带宽。一个核心成员节点a 请求上游核心成员节点b 恢复的前 提是a 知道b 确实有它所丢失的分片，为实现这点，每个核心节点在转发的每 个分片内携带一个自己当前己接收分片的位 ( b i t m a p 。非核心成员节点只有当 它相邻的核心成员节点已接收了所有分片时才能请求恢复。具体实现机制在 2 6 中4 节有详细描述。 2 3 r m s t 传输协议 r m s t 2 9 ( r e l i a b l em u l t i s e g m e n tt r a n s p o r t 协议是专门为定向扩散( d i r e c t e d d i f f u s i o n 路由协议而设计的传输层协议，对于图像采集类应用，采集到的图像 数据一般较大，往往超过了网络的最大传输单元( m t u ，类似于t c 协议，r m s t 将图像数据进行分段传输，为提高数据传输的可靠性，r m s t 结合了如下机制： 链路层的重传机制。 在缓存模式( c a c h e dm o d e 下，槽节点和增强路径上的中间节点周期性检 查缓存，看是否有分段丢失。当发现有丢失分段时，节点将会产生一个n a c k 包沿着增强路径逆向传播，当传播到路径上第一个缓存该丢失分段的节点时，该 节点重传丢失分段给请求节点。 在应用层，源节点周期性的发送整个数据，直到槽节点通知不在需要该 数据。 槽节点通过频繁重复兴趣广播、探测事件的发布、增强路由的建立，极 好的抵抗了节点失效。 通过分析比较以上几种机制的相互结合，可知在信道误码率较高时，链路层 的重传对于可靠性的提高非常有用。 2 4 1e s r t 传输协议 e s r t t 3 0 ( e v e n tt os i n kr e l i a b l et r a n s p o r t 协议与传统端到端的可靠传输协议 有着截然不同的实现机制，它首次提出了构建e v e n t t o s i n 可靠性模型。e s r t 通过调整源接点的报告速率来达到信息的期望准确度，并避免网络拥塞。为获得 期望的信息质量，该协议假定槽节点在规定时间问隔内需要获得一个最少的数据 包数量。 1 9 第二章无线传感器网络可靠通信综述 e s r t 假定网络只有一个槽节点，槽节点每有能量限制，并具有足够的功率 资源以致能够单跳发送数据给网络中所有的传感器节点。基于数据发送速率槽节 点固定时问问隔内正确接收的包数量及网络拥塞状况之间的相互关系，e s r t 合 理调节数据发送速率，以到达最优结果。那么相应可将网络划分为个状态区域： ( n c ，l r ：网络没有拥塞，低可靠性以及低发送速率。 o o r ：增加发送速率，可靠性达到期望值，网络没有拥塞，叫做最优操 作区域。 ( n c ，h r ：增加发送速率，可靠性进一步提高超过了期望值，但没有造成 网络没有拥塞。 ( c ，h r ：继续增加发送速率，可靠性继续提高，然而造成了网络的拥塞。 ( c ，l r ：继续增加发送速率，将导致可靠性的降低，由于拥塞过于严重， 从而产生数据包的大量丢失，这种情况下仍能获得一定程度的可靠性，但随着发 送速率的增加将会低于期望值。 在一个规定的时间问隔到达时，槽节点根据接收的数据包数量及节点上报的 网络拥塞状况确定网络所处的状态区域，从而计算在下一个时间间隔内节点的数 据发送速率，并广播给所有的传感器节点，通过这种反馈机制协议最大可能的将 网络控制在最优操作区域。网络的拥塞状况由传感器节点的局部缓存剩余空间指 示，当剩余空间低于一定阈值时，传感器节点就在发送给槽节点的数据包里设置 拥塞指示位，这样槽节点接收到数据包后就能及时知道网络的拥塞状况。 e s r t 协议作为最新的传输层协议，首次提出了构建e v e n t t o s i n 的可靠模 型。该协议使用小的能量费用获得可靠的事件发现。算法主要运行在槽节点上， 它的运行由当前网络的可靠性和拥塞状态决定。对于随机、动态拓扑变化的无线 传感器网络，e s r t 的自组织特性使其具有很好的鲁棒性。 2 本章小结 本章首先提出了无线传感器网络可靠通信所而临的诸多挑战及为其设计可 靠机制时所需综合考虑的因素。随后综合分析了重传、数据冗余转发、多路径转 发等可靠机制。最后对目前一些最具代表意义的传输协议进行了具体的描述与定 性分析。 2 0 第三章链路级分析与预测 3 引言 第三章链路级分析与预测 无线通信中无线信道的高误码率、非对称链路及动态变化性给数据的可靠传 输带来了极大的挑战，考虑能耗因素，无线传感器网络一般采用低功耗的射频信 号通信，这又极大的增加了无线信道的丢包率。这些非理想因素给无线传感器网 络可靠的m a c 协议、路由协议及传输协议的设计带来的巨大的困难。 本章首先分析了无线链路的特征，然后分析了链路级的可靠机制，重点分析 了链路级重传机制。利用加权移动窗口策略，最后提出了一种简单有效的链路质 量动态预测机制并通过调节相应参数进行了仿真实验与分析。 3 无线链路特征分析 与传统有线链路相比，无线链路受环境、噪声等因素的影响，具有极大的 不稳定性，并且随着时间的推移链路质量也会呈现极大的不确定性。文献【1 分 析了在没有介质访问冲突情况下无线链路的丢包特性，从网络协议栈的角度，通 过实验的方式深入探讨了物理环境、网络拓扑、流量类型、节点传输功率、各种 物理信道编码等因素对网络物理层、链路层的影响，进而对分组丢失率的影响。 从中我们可得出以下几个重要结论： 由于信号干扰、信号多径反射等影响分组成功递交的因素因物理环境的 不同差异很大，因而在没有分组碰撞丢失的情况下不同的物理环境里无线链路分 组丢失率表现出极大的不同。 传输功率的变化和不同的信道编码也会带来分组丢失率的差异，接收信 号强度与链路质量并不完全成正比关系，一般说，链路质量高的具有高信号强度， 但高信号强度不一定代表低丢包率。 受物理环境影响，简单的链路级重传并不能取得非常理想的效果，采用 r t s c t s 握手机制能有效解决隐终端与暴露终端问题，减少分组碰撞丢欠，提 高能量效率。 第三章链路级分析与预测 在没有介质访问冲突情况下，不同物理环境下，网络一般都有超过1 0 的链路是非对称的，且有1 的链路丢包率超过3 0 。 文献 2 利用伯克利节点实验平台【3 】，采用单一数据发送源，固定其发送速率 的方式，接收节点每隔一定时间进行一次丢包统计，分析了距离及障碍物等因素 对无线链路质量的影响。实验记录了链路质量随时间及相应影响因素的变化情 况，并指出即使在没有任何影响因素情况下，无线链路质量也表现出极大的不稳 定性。 链路级可靠机制分析 数据链路层位于o s 七层模型的第二层，其主要有两方面功能：一是成帧， 针对象无线传感器网络这种共享型网络还需提供介质访问控制功能；二是提供点 到点之间可靠的通信链路。因此一般将其分为介质访问控制( m a c 子层与逻辑链 路控$ i j ( l l c 子层。无线链路误码率远高于有线链路【4 卅，因而要想实现数据的可 靠传输，链路级可靠机制相当重要，目前在链路层常采用的可靠机制有链路级重 传即自动重传请求( a r q 与前向纠错( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，f e c 机制，对于无 线通信，还可通过调节节点发射功率来提高信道质量。前向纠错码机制在文献 7 8 中均有详细描述，文献【9 1 0 中均提出了通过合理调节功率的方式来提高信 道质量，减少可靠通信能耗。以下主要分析一下链路级重传机制，也是最常用的 一种可靠通信手段。 考虑能效最优问题，无线传感器网络一般采用多跳通信方式，由于无线信道 的高丢包率，数据包通过多跳到达槽节点的概率极小，因而通过链路级的重传， 提高单跳到达概率，能有效提高数据传输的可靠性。假定p 为单跳数据发送成功 概率，尺为链路